ANALÍSE E ESTUDO COMPARATIVO DE ACTUADORES LINEARES PARA IMPLEMENTAÇÃO EM ROBÔS DE INSPIRAÇÃO BIOLÓGICA Departamento de Engenharia Mecânica, UA Realizado por: Marco Melo Vasco Quinteiro Orientadores: Prof. Dr. Filipe Silva Prof. Dr. Vítor Santos Objectivos I Estudo de dois tipos de actuadores lineares - Compreensão das propriedades dos actuadores - Definição do tipo de controlo adequado - Comparação entre os dois tipos de actuadores II Potencial de utilização no campo da robótica - Implementação da tecnologia em estruturas de inspiração biológica - Avaliação do desempenho global - Comportamento cinemático - Comportamento dinâmico DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Muscle Wires Características e Propriedades Fios de liga níquel-titânio de pequenos diâmetros (100μm) Muscle Wires Transforma o calor induzido por uma corrente eléctrica (180mA) em movimento mecânico Contrai 5 a 10% do seu comprimento total DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Muscle Wires Concepção do Robô Hexápode - Contacto prático com a tecnologia 8 Muscle Wires a funcionar independentemente DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Muscle Wires Concepção de meios de controlo Desenvolvimento da placa de interface (PC) Teste de padrões de locomoção Através dos impulsos, a placa envia corrente para cada músculo A passagem da corrente proporciona os padrões de locomoção pretendidos DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Muscle Wires Esquema do funcionamento do Robô Computador 486dx2 Programa em BASIC Envio de comandos através do teclado Porta Paralela envio do padrão de locomoção Placa de interface com o robô – Corrente para cada Muscle Wire Robô Hexápode DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Músculo Pneumático Constituição do Músculo -Tamanho ajustável -Peso baixo -Custos reduzidos -Flexibilidade física DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Músculo Pneumático Princípio de Funcionamento Alimentação Pneumática Válvula Proporcional Variação Linear da pressão com a corrente Contracção e relaxamento Músculo Artificial DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Músculo Pneumático Modelo teórico estático L – Comprimento da malha b – Comprimento de um fio da malha para um comprimento L e diâmetro D P’ – Pressão interna imposta F – Força imposta D – Diâmetro da malha n – número de voltas que um fio de comprimento b dá a uma malha de comprimento L 4 Fn 2 b2 L 1 2 P' b 3 DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Músculo Pneumático Modelo teórico estático Valores de b e n obtidos para os correspondentes valores de L estipulados Valores utilizados para o cálculo dos valores da tabela 4 Fn 2 b 2 L 1 2 P' b 3 Representação do comportamento de um músculo segundo o modelo teórico estático proposto DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Músculo Pneumático Propriedades e características INFLUÊNCIA I Diâmetro da Malha 6 Músculos Comprimento inicial 11,16, 22 cm Comprimento Inicial 17, 22 mm Diâmetro malha DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Músculo Pneumático Propriedades e características II Pressão de alimentação [ 0 .. 6] Bar Massa Hd [ 0.5 .. 11] Kg DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Músculo Pneumático Propriedades e características III DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Músculo Pneumático Propriedades e características IV Aproximação a Modelo estático Ymédio=mx+b DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Braço Pneumático Modelo Biomecânico Deltóide anterior tricipede braquial bicípede braquial DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Braço Pneumático Modelo geométrico I 011 rS 011 r Músculo Flexor Ombro F 11 1 b 1 rC 011 b 1 DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Braço Pneumático Modelo geométrico II z11 b12 r2 2b1r cos 01 1 b r sin 01 1 z11 1 1 z11 cos 01 1 ... 2 2 br sin 01 1 1 z11 1 b1r sin 01 1 1 z11 z11 Dimensão Velocidade Aceleração DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Braço Pneumático Modelo geométrico III r sin , 01 sin Z11 M11 F11 bi sin F12 0 F11 1 z11 1 b1r sin 01 1 Momentos Forças DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Braço Pneumático Simulação Matlab I Espaço dos Músculos DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Braço Pneumático Simulação Matlab II Desempenho Cinemático Dimensões Exigidas Desempenho Dinâmico Forças/Binarios exigidos DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Braço Pneumático Pontos de Inserção I θ 01 Pontos de Destino Das movimentações b1 θ 02 b21 b22 DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Mudança θ 01 Braço Pneumático Pontos de Inserção Forças Dimensões II Máximas Forças para um dado ponto de destino Máximas diferenças entre a máxima e mínima dimensão do musculo DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Braço Pneumático Pontos de Inserção III -60º 17.5 cm -124º 8 cm 8 cm DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Espaço dos Músculos Braço Pneumático Controlo MATLAB [Z] E I PID [F] M-1 [τ] [dZ] + [ddZ] DINÂMICA DIRECTA 2R RUNGE-KUTTA - [Z]corr [dZ]corr FORMULAÇÃO GEOMÉTRICA DO BRAÇO θ, θ ‘ corr [ddZ]corr DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Braço Pneumático Controlo MATLAB Espaço das juntas II Espaço dos músculos DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Braço Pneumático Projecto Estrutural I DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Braço Pneumático Primeiros testes I PLC Carta Analógica Alimentação pneumática Electro-Válvulas DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Braço Pneumático Primeiros testes II DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Conclusões Muscle Wires - Grandes consumidores de corrente eléctrica - Ciclo de “aquecimento –arrefecimento – aquecimento” é um processo lento - Tempo que o material permite que uma corrente passe por ele é reduzido - Controlo limitado - Os Muscle Wire contraem até 10% do seu comprimento inicial - Tempo de activação rápido - Relação força \ peso muito elevada DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Conclusões Em termos do controlo dos Músculos Em termos das propriedades dos Músculos Músculo Pneumático - Possibilidade de obter um actuador com características que mais convêm são inúmeras - Os músculos pneumáticos possibilitam a contracção até 25% do seu comprimento - O estudo efectuado em relação aos pontos de inserção constituiu uma mais valia para o desempenho global do braço - Comportamentos semelhantes entre os obtidos experimentalmente e os obtidos através do modelo teórico estático - Controlo no espaço dos músculos foi possível, no entanto com constantes D. P. associadas ao controlador muito elevadas - O controlo no espaço dos músculos aliado à definição de um modelo dinâmico contribuirá para o desenvolvimento de um controlador real que manipule as forças necessárias fazendo-as corresponder às pressões a impor DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002
Download
